三角形河床影响下的潜流交换数值模拟研究

摘要

河流地表水-地下水的相互作用是地球水文循环的重要过程。而潜流交换作用是地表水-地下水相互作用中的一个重要环节，它控制着地表水-地下水之间物质和能量的传输以及生物化学反应，进而影响到整个流域的生态健康。本文基于雷诺平均N-S方程（RANS）、k-ω湍流模型和Darcy方程，采用COMSOL结合CFD-Fluent的数值模拟方法，构建三角形河床形态影响下的地表水-地下水耦合模型。主要分析了地表水湍流流动特性、水沙交界面流动特性和潜流交换区流动特性，探究三角形河床形态影响下的地表水-地下水港流交换规律。主要研究成果如下： 基于已有的水槽试验实测的地表水流速分布结果，对第六段沙丘流速分布结果进行模型验证，结果表明所构建的地表水-地下水耦合模型可以良好地刻画水沙交界面附近的流场。 三角形河床对水沙交界面的压强和流速分布影响较大，其迎水坡角度与水沙交界面压强呈负相关，与波峰处流速呈正相关。地表水入口流速与水沙交界面压强极值及其流速均呈正相关。湍流强度和壁面切应力的最大值稳定出现在三角形河床波峰处，说明波峰较容易受到地表水湍流的影响而发生形变。 针对不同的三角形河床形态，提出了一种水沙交界面的上升流和下降流的判定方法和量化方法。上升流与下降流的分布基本取决于河床的几何形态，流速分布基本不随地表水流速的变化而变化，波峰为上升流和下降流的一个稳定分界点，潜流交换通量与迎水坡角度呈负相关。河床形态变化时，正逆交换区分布随之产生变化，基本不随地表水流速的变化而变化。潜流带内存在横向流速分量和垂向流速分量分别趋近于O的缓流带，其深度与潜流交换区深度相近。横向流速缓流带位于潜流带的逆交换区边界附近，垂向流速缓流带位于水沙界面压强极大值点的两侧。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 河床影响下的地表水湍流运动研究进展

1.2.2 上升流和下降流研究进展

1.2.3 河床影响下潜流交换作用的研究进展

1.3 本文的研究内容及路线

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

2 数学模型

2.1 流体流动的控制方程-湍流雷诺平均N-S方程（RANS）

2.2 标准k-ω两方程模型

2.3 本章小结

3 模型验证与三角形河床形态影响下地表水流动分析

3.1地表水-地下水概化模型

3.1.1 概化模型试验设置

3.1.2 边界条件和网格划分

3.2 潜流交换数值模型验证

3.3地表水湍流动力特性

3.3.1 水沙交界面的壁面切应力

3.3.2 湍流强度

3.3 地表水压力与流速分布

3.4 本章小结

4 三角形河床影响下的地表水-地下水潜流交换作用

4.1 数值模型沉积物深度的确定

4.2 水沙交界面流速方向判定和潜流交换通量的量化方法

4.3 水沙交界面压强分布

4.4 水沙交界面流速分布

4.5 水沙交界面的潜流交换量

4.6 潜流交换区特性

4.7 缓流区特性

4.8 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果